酸连轧生产线闪光对焊低合金高强钢的焊接工艺

摘要

本发明公开了一种酸连轧生产线闪光对焊低合金高强钢的焊接工艺，其工艺条件为：焊后电极间距为3.0～3.5倍钢板厚度，闪光留量S=K

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接方法，尤其是一种酸连轧生产线闪光对焊低合金高强钢的焊接工艺。

背景技术

为了降低汽车尾气排放，汽车轻量化是汽车车身设计的一个主流方向，因此，高强钢的应用越来越广泛，尤其是先进高强钢，如双相钢、相变诱导塑性钢等，但是冷轧退火的低合金高强钢在汽车零部件制造中的应用范围并没有减少，由于这类钢种具有较高的屈强比和良好的刚度，不易发生变形，仍然在汽车结构件和加强件中得以广泛使用。

酸连轧生产线由于采用了无头技术实现了酸洗和冷连轧生产的连续性，生产效率高，无头技术则是在酸连轧线的入口处通过焊接方法将前一热轧钢带的尾部与下一热轧钢带的头部加以连接，焊接所需时间则通过入口活套进行调节，从而保证了钢带在酸槽中酸洗速度的稳定，确保酸洗后板带的表面质量以及后续冷轧产品的尺寸公差。

对于酸连轧线的焊机，目前主要采用电磁感应焊接、激光焊接和闪光对焊技术。由于闪光对焊的焊接速度快，焊接质量稳定可靠，易实现自动化，而且设备便宜且操作简单，所以应用广泛。但与普通软钢不同，低合金高强钢由于合金元素含量高，带钢强度高，造成焊接难度大，而且焊缝由于经历了焊接热循环，其组织和性能与母材截然不同，易造成酸连轧生产线的生产断带，降低酸连轧生产线的生产连续性和稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种性能优异的酸连轧生产线闪光对焊低合金高强钢的焊接工艺。

为解决上述技术问题，本发明所采取的工艺条件为：焊后电极间距为3.0～3.5倍钢板厚度，闪光留量S=K_f*t^b，调伸长度=闪光留量+顶锻留量+焊后电极间距，顶锻力=(热轧板带的屈服强度*0.2)×断面积/1000，平均顶锻时间=顶锻留量/平均顶锻速度，顶锻电流为80～100KA；

其中： S为闪光留量，mm；系数K_f=0.5～0.7；t为闪光时间，s；指数b=2～1.4；调伸长度，mm；顶锻留量为0.4倍的闪光留量，mm；顶锻力，KN；热轧板带的屈服强度，MPa；断面积，mm²；顶锻速度为50～80mm/s。

本发明所述低合金高强钢板的碳当量为0.17～0.36。

本发明所述碳当量为0.17时，焊后电极间距为3.0*板厚；碳当量为0.26时，焊后电极间距为3.2*板厚；碳当量为0.36时，焊后电极间距为3.5*板厚；对于位于上述给定碳当量之间的热轧板带，通过对相近碳当量的焊后电极间距线性插值获得。

本发明所述碳当量为0.17时，系数K_f=0.5，指数b=2；碳当量为0.26时，系数K_f=0.6，指数b=1.7；碳当量为0.36时，系数K_f=0.7，指数b=1.4；碳当量大于0.17且小于0.26时，系数K_f=0.55，指数b通过线性插值获得；碳当量大于0.26且小于0.36时，系数K_f=0.65，指数b通过线性插值获得。

本发明所述碳当量为0.17时，顶锻速度为70～80mm/s；碳当量为0.26时，顶锻速度为60～70mm/s；碳当量为0.36时，顶锻速度为50～60mm/s；对于位于上述给定碳当量之间的热轧板带，通过对相近碳当量和断面面积的顶锻速度线性插值获得。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明基于热轧带钢的碳当量和规格，对闪光对焊的工艺参数进行设定和优化，采用上述的设定原则进行焊接后，获得了完整的且力学性能优异的焊接接头，极大地降低了生产断带率，使得该钢种的酸轧生产更加稳定，提高了产品质量和产线效率，具有良好的经济效益。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明中焊后电极间距随碳当量和断面积的变化趋势图；

图2是本发明中闪光时间随碳当量和断面积的变化趋势图；

图3是本发明中闪光留量随碳当量和断面积的变化趋势图；

图4是本发明中调伸长度随碳当量和断面积的变化趋势图；

图5是本发明中顶锻力随碳当量和断面积的变化趋势图；

图6是本发明中顶锻时间随碳当量和断面积的变化趋势图；

图7是本发明实施例1中拉伸试样后的试样照片；

图8是本发明实施例1中的焊缝组织照片；

图9是本发明实施例2中拉伸试样后的试样照片；

图10是本发明实施例2中的焊缝组织照片；

图11是本发明实施例3中拉伸试样后的试样照片；

图12是本发明实施例3中的焊缝组织照片.

图13是本发明实施例4中拉伸试样后的试样照片；

图14是本发明实施例4中的焊缝组织照片.

图15是本发明实施例5中拉伸试样后的试样照片；

图16是本发明实施例5中的焊缝组织照片。

图中：A部为试样照片的焊缝部位。

具体实施方式

在闪光对焊钢铁材料过程中，低合金高强钢的碳当量和板带规格对于工艺参数的制定起着决定性作用，这是因为，碳当量影响到热轧原料的强度，同时也影响焊后冷却的淬硬倾向，碳当量越高，基体材料的室温强度和高温强度越高、导热率越低；另一方面，待焊材料越厚，热容量越大，需要大的能量输入才能实现一定宽度的良好温度梯度的高温塑性区，即需要较长的闪光时间等等；总之，影响闪光对焊接头性能的主要工艺参数如下：焊后电极间距、顶锻留量、闪光留量、顶锻留量、闪光时间、顶锻电流等。

碳当量C_{EQ_FBW}的计算公式见下式（1）

式（1）中C、Mn、Si、Cr、Nb、V、Ti、Mo、B为该元素在钢板中的质量百分含量。

本酸连轧生产线闪光对焊低合金高强钢的焊接工艺中参数的确定和优化方法如下：

1）焊后电极间距：

对于板带焊接，为了避免错边、翘曲等缺陷，对焊结束时两电极的距离为2.5～3.0倍的材料厚度，但是对于强度较高（即碳当量较高）和规格较厚的钢种，通过生产试验发现，焊后电极间距设定为3.0～3.5倍的板厚较好，而且碳当量越高，系数越高，这样可以增宽加热区域，获得良好的温度梯度；图1所示，其设置如下：

碳当量为0.17时，焊后电极间距（mm）为3.0*板厚；

碳当量为0.26时，焊后电极间距（mm）为3.2*板厚；

碳当量为0.36时，焊后电极间距（mm）为3.5*板厚；

当碳当量位于上述三者之间时，则采用线性插值的方法获得焊后电极间距，具体如下：

0.17＜碳当量＜0.26时，焊后电极间距(mm)为：

0.26＜碳当量＜0.36时，焊后电极间距(mm)为：

2）闪光时间、闪光留量：

闪光时间是指用来加热断面金属所用时间，通过加热在板带端部形成一定的温度梯度，在闪光开始阶段，断面温度梯度大，闪光进行得慢，但是随着闪光的进行，材料的烧损速度增加，同时夹具的移动速度增大，在顶锻进行之前，动夹具的移动位移（S）等于板带的烧损量，即闪光留量（mm），S与闪光时间之间的关系可以用下述公式（2）描述：

S=K_f*t^b    （2）

式（2）中，t为闪光时间，单位s；K_f为系数，与钢种有关；b为指数，与钢种有关。通过大量试验，对相关数据进行拟合，发现；图2、图3所示，采用如下表1、2设置可以获得良好的焊接接头：

表1：公式（2）中K_f和b的选择

对于碳当量位于表中给定值之间的板带焊接，b的确定采用线性插值的方法获得；例如：对于C_{EQ_FBW}=0.31的板带，b=1.55，K_f=0.65；

C_{EQ_FBW}=0.20的板带，b=1.9，K_f=0.55。

在焊接过程中，需要通过一定量的断面烧损来加热以实现焊件长度方向上的稳态温度场，同时要考虑到待焊板带加热的不均匀性等因素，通过试验，获得闪光流量如下：

表2：闪光流量的设定

对于碳当量给定的待焊钢板，在不同的断面积下，可以通过相近断面积板带的闪光流量进行线性插值获得；例如：碳当量为0.20，断面积为4500mm²的待焊板带，对于碳当量为0.17和0.26断面面积为4500 mm²的闪光流量分别为15和17mm，线性插值后得到碳当量为0.20断面积为4500mm²板带的闪光流量为15.7mm。

3）调伸长度、闪光流量和顶锻留量：

调伸长度将根据材料特性尤其是待焊板带的碳当量和规格决定，调伸长度可以表示为：调伸长度=闪光留量+顶锻留量+焊后电极间距；

其中，焊后电极间距将按照1）中的叙述进行计算；闪光留量按照2）中叙述进行计算。

图4所示，在本焊接工艺中，由于采用未预热的闪光对焊，根据生产经验，顶锻留量设定为0.4倍的闪光留量。

4）顶锻力、顶锻时间和顶锻电流：

顶锻力大小设置与材料的高温强度以及顶锻量有关，温度越高，材料强度越低，通过生产试验结果，分析得出在室温强度0.2倍及以下区域进行塑形变形时，既可以将熔化断面的氧化物夹杂物挤出，又可以避免产生对焊接接头性能不利的纤维组织，而影响热轧原料强度的主要因素为化学成分和工艺参数。对所有的试验钢种而言，热轧工艺参数恒定，因此碳当量，如固溶强化元素（如C、Mn、Si和P等）和析出强化元素（Nb、Ti）含量越多，在同等的热轧工艺条件下，热轧原料的强度越高。图5所示，根据上述原则，顶锻力的设置方法如下：

顶锻力(KN)=(热轧板带的屈服强度*0.2)*断面积/1000；

例如，对于碳当量为0.36的热轧原料，规格为1500*5.0mm，终轧温度为860℃，卷取温度为620℃，热轧板料的屈服强度为550MPa，则顶锻力为：

顶锻力=(550MPa*0.2)*7500(mm²)/1000=825KN。

平均顶锻时间：平均顶锻时间=顶锻留量/平均顶锻速度；在顶锻过程中，通过顶锻速度来控制顶锻时间，顶锻速度小，顶锻时间长，则延长了间隙闭合和塑性变形的时间，尤其在无顶锻电流的情况下，对口金属的温度降低会导致氧化膜的去除和破坏变得困难。对于不同规格和碳当量的热轧板带，板带规格越大或者碳当量越高，则热容量越大，热量损失慢，温降慢，因此可以采用较小的顶锻速度（或较长的顶锻时间），因此，对于低合金高强，通过试验优化，顶锻速度的设定范围为50～80mm/s，图6所示，具体设定值如表3所述。

表3：顶锻速度的设定

对于碳当量给定的待焊钢板，在不同的断面积下，可以对相近断面积板带的顶锻速度进行线性插值即可获得，例如，对于碳当量为0.20，断面积为5500mm²的待焊板带，在碳当量为0.17和0.26时，该断面面积下的顶锻速度分别为72.5 mm/s和62.5 mm/s，通过插值计算，顶锻速度可以设定为67.5 mm/s。

顶锻电流：为了降低焊后接头的冷却速度，对于合金元素含量较高或淬硬倾向较为严重的低合金高强钢，在顶锻过程中可以通过施加一定的电流，则有利于降低焊缝冷却速度，获得韧性更好的焊缝组织，保证接头性能。本焊接工艺通过试验优化，顶锻电流数范围限定在80～100KA之间，具体目标值如表4所述。

表4：顶锻电流数的限定值

对于碳当量给定的待焊钢板，在不同的断面积下，可以对相近断面积的板带的顶锻电流数进行线性插值即可获得；例如：碳当量为0.20、断面积为3500mm²的待焊板带，在碳当量为0.17和0.26时，该断面面积下的顶锻电流分别为92.5和97.5KA，通过插值计算，顶锻电流可以设定为95KA。

综上所述，本焊接工艺中参数随碳当量和断面积的变化趋势如图1-6所示。

实施例1：本低合金高强钢的焊接工艺采用下述具体工艺。

热轧板带（低合金高强钢）的成分含量（wt）为：C：0.10%，Mn：1.0%，S：0.015%，P：0.020%，Si：0.50%，Nb：0.050%，Ti：0.040%，N：25ppm，Als：200ppm，C_{EQ_FBW}=0.36；屈服强度为550MPa，抗拉强度为612MPa；板带规格为1250*5.0mm。按照上述方法计算各参数，工艺参数如下表5所述。

表5：闪光焊接工艺参数

上述热轧板带采用表5所示参数进行生产性焊接；切取拉伸试样，拉伸时断裂发生在母材上，说明焊缝具有良好的性能，而且焊缝再结晶组织良好；如图7所示的试样照片和图8所示的焊缝组织在光学显微镜下500倍的照片。

实施例2：本低合金高强钢的焊接工艺采用下述具体工艺。

热轧板带的成分为：C：0.07%，Mn：0.8%，S：0.012%，P：0.016%，Si：0.3%，Nb：0%，Ti：0.01%，Als：350ppm，N：32ppm；C_{EQ_FBW}=0.26；板带规格为：1500*2.0mm；屈服强度为452MPa，抗拉强度为502MPa。按照上述方法计算各参数，工艺参数如下表6所述。

表6：闪光焊接工艺参数

上述热轧板带采用表6所示参数进行生产性焊接；切取拉伸试样，拉伸时断裂发生在母材上，说明焊缝具有良好的性能，而且焊缝再结晶组织良好；如图9所示的试样照片和图10所示的焊缝组织在光学显微镜下500倍的照片。

实施例3：本低合金高强钢的焊接工艺采用下述具体工艺。

热轧板带成分为：C：0.05%，Mn：0.4%，S：0.010%，P：0.012%，Si：0.03%，Nb：0.010%，Ti：0%，Als：280ppm，N：30ppm；C_{EQ_FBW}=0.17；板带规格为1000*3.0mm；屈服强度为390MPa，抗拉强度为435MPa。按照上述方法计算各参数，工艺参数如下表7所述。

表7：闪光焊接工艺参数

上述热轧板带采用表7所示参数进行生产性焊接；切取拉伸试样，拉伸时断裂发生在母材上，说明焊缝具有良好的性能，而且焊缝再结晶组织良好；如图11所示的试样照片和图12所示的焊缝组织在光学显微镜下500倍的照片。

实施例4：本低合金高强钢的焊接工艺采用下述具体工艺。

热轧板带成分为：C：0.09%，Mn：0.35%，S：0.008%，P：0.012%，Si：0.03%，Nb：0.020%，Ti：0.010%，Als：340ppm，N：27ppm；C_{EQ_FBW}=0.20；板带规格为1285*3.5 mm；屈服强度为430MPa，抗拉强度为487MPa。按照上述方法计算各参数，工艺参数如下表8所述。

表8：闪光焊接工艺参数

上述热轧板带采用表8所示参数进行生产性焊接；切取拉伸试样，拉伸时断裂发生在母材上，说明焊缝具有良好的性能，而且焊缝再结晶组织良好；如图13所示的试样照片和图14所示的焊缝组织在光学显微镜下500倍的照片。

实施例5：本低合金高强钢的焊接工艺采用下述具体工艺。

热轧板带成分为：C：0.06%，Mn：0.55%，S：0.006%，P：0.015%，Si：0.4%，Nb：0.030%，Ti：0.025%，Als：350ppm，N：22ppm；C_{EQ_FBW}=0.30；板带规格为1350*4.0mm；屈服强度为502MPa，抗拉强度为552MPa。按照上述方法计算各参数，工艺参数如下表9所述。

表9：闪光焊接工艺参数

上述热轧板带采用表9所示参数进行生产性焊接；切取拉伸试样，拉伸时断裂发生在母材上，说明焊缝具有良好的性能，而且焊缝再结晶组织良好；如图15所示的试样照片和图16所示的焊缝组织在光学显微镜下500倍的照片。